Ein Forschungsteam des Instituts für biomedizinische Wissenschaften und Innovation der Provinz Cádiz (INIBICA) und der Universität Cádiz (UCA) hat künstliche Knochen aus Polymilchsäure (PLA) hergestellt. PLA ist eine natürliche Substanz, die aus organischem Material wie Maisstärke oder Zuckerrohr gewonnen wird und Kunststoffe ersetzen kann. Diese Entwicklung ermöglicht es Ärzten, unbegrenzte Mengen dieser Teile für die Planung und Ausbildung von Operationen sowie für die Versorgung von Patienten zu nutzen.
Um dieses Ziel zu erreichen, setzten sie die Schmelzabscheidungstechnologie ein, bei der ein Objekt Schicht für Schicht durch das Verschmelzen von Kunststofffilamenten rekonstruiert wird, bis es vollständig ist. Dies wird in einer Studie mit dem Titel “Comparative study of biomodels manufactured using 3D printing techniques for surgical planning and medical training” beschrieben, die in der Zeitschrift Expert Review of Medical Devices veröffentlicht wurde. Dort wird auch die hohe Präzision dieses kostengünstigen Thermoplasts hervorgehoben, wie es in einer Erklärung des Vorstands heißt.
Die Experten haben die Verwendung dieses nachhaltigen Materials aus wirtschaftlicher und ökologischer Perspektive validiert. “Seine Anwendung als Filament im 3D-Druck ist kostengünstig, und wir erforschen seine biologische Abbaubarkeit sowie seine Verträglichkeit mit dem menschlichen Körper”, erklärt Miguel Suffo, Forscher an der Universität Cádiz und Co-Autor der Studie.
Laut Experten werden diese Biomodelle entsprechend den Anforderungen realer Fälle gefertigt und ermöglichen es Ärzten, Operationen mit größerer Sicherheit und Gewährleistung zu planen oder durchzuführen, indem sie sogar das Material anpassen, das voraussichtlich während des Eingriffs verwendet wird. Diese Replikate verbessern auch die Kommunikation mit dem Patienten, indem sie die Diagnose oder Verletzung am Modell des künstlichen Knochens erläutern und sogar Prothesen und Implantate anfertigen.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie ist die haptische Rückmeldung, die sie Ärzten bietet. Ziel ist es, Material und Eigenschaften der Replikate so realitätsnah wie möglich zu gestalten. Pablo Andrés Cano, Forscher am Krankenhaus Puerta del Mar in Cádiz und Hauptautor der Studie, betonte, dass “medizinisches Personal, das mit den Replikaten arbeitet, uns vor und während des Einsatzes wertvolle Informationen liefert, von klinischen Beratungen bis hin zu chirurgischen Eingriffen: von der benötigten Kraftanwendung auf den Knochen bis zum darzustellenden Widerstand”.
Drei Knochenmodelle
Experten haben drei verschiedene digitale anatomische Modelle des längsten Knochens im menschlichen Körper, des Femurs, erstellt. Als Grundlage diente eine Computertomographie (CT), ein diagnostischer Test, der Röntgenstrahlen nutzt, um Bilder des Körpers aus verschiedenen Winkeln zu erzeugen. Sie rekonstruierten speziell den Oberschenkelknochen eines jungen Mannes mit einer Fraktur.
Beim 3D-Druck setzten Ingenieure der Fakultät für Maschinenbau und Industriedesign der Universität Cádiz die FFF-Technologie (Fused Filament Fabrication) ein, ein additives Herstellungsverfahren, bei dem ein thermoplastisches Material schichtweise aufgetragen wird, um Teile unabhängig von ihrer Form herzustellen. “Diese Technologie ermöglicht es, steife, haltbare und maßgenaue Komponenten zu fertigen, da ihre Gestaltung oft komplex ist”, erklärt Suffo.
Nach der Anpassung der Druckparameter, um Gewebe zu simulieren, das um den Knochen herum vorkommen könnte, stellten sie einen Vergleich mit einem kommerziellen synthetischen Modell an. Es wurden mehrere chirurgische Blindtests von Spezialisten aus verschiedenen andalusischen Krankenhäusern durchgeführt. “Wir waren neugierig, ob die Mediziner einen deutlichen Unterschied zwischen dem Zufallsdruck und unserem Design feststellen können”, erklärt Pablo Andrés.
Die Rückmeldungen der Ärzte, die an den Tests teilnahmen, waren durchweg positiv und statistisch signifikant. “Die Tests zeigten, dass diese Nachbildungen eine verlässliche Methode darstellen können, mit der Fachkräfte ihre Techniken bei der Operationsplanung verfeinern können, was Zeit spart und das Risiko für Patienten minimiert. Zudem dienen sie als Hilfsmittel in der medizinischen Ausbildung”, erläutert der Studienleiter.
Das Forschungsteam beschäftigt sich außerdem damit, wie der Kunststoffverbrauch bei der Herstellung der Knochenmodelle in 3D verringert und recycelt werden kann. “Täglich entsteht in Krankenhäusern eine beträchtliche Menge an Müll. Manche Abfälle sind nachhaltiger, andere biologisch abbaubar, aber es gibt auch umweltschädlichere Materialien. Unser Ziel ist es, Kunststoffabfälle zu recyceln, die, wenn sie richtig behandelt werden, den Druck künstlicher Knochen ermöglichen, und gleichzeitig diese Modelle mit anderen umweltfreundlichen Materialien anzufertigen”, fügt der Experte hinzu.
Die Forscher fokussieren sich nach dieser Arbeit darauf, die Technik weiterzuentwickeln, um künstliche Knochen noch realistischer zu gestalten. “Das Erzielen einer künstlichen Knochenstruktur, die dem natürlichen Knochen identisch ist, stellt eine große Herausforderung dar, da komplexe Verbindungen wie Muskeln, Blut und andere beteiligt sind, was weitere Forschung erfordert”, erklärt Pablo Andrés. Die Studie wurde durch das Ministerium für Wissenschaft, Innovation und Universitäten, durch Eigenmittel von Inibica und der Universität Cádiz finanziert.
Bild: paihub
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